Direkterhitzung als neue Königsdisziplin

Zum Haltbarmachen von Produkten ist in klassischen UHT-Anlagen (Ultra High Temperature), wie der VarioAsept von Krones, ein Platten- oder Röhrenwärmetauscher eingebaut. Dieser arbeitet nach dem Prinzip der indirekten Erhitzung: In einem Röhrenwärmetauscher fließt kaltes Produkt in einem Innenrohr, während durch ein umgebenes Mantelrohr im Gegenstrom heißes Wasser läuft, um das Produkt auf die gewünschte Temperatur zu erhitzen. Vor allem im Hinblick auf die Investitionskosten und den höheren Energierückgewinn sind derartige indirekte Wärmetauscher eine gern genutzte Technologie in der Getränkeverarbeitung.

In Bezug auf die thermische Belastung gibt es aber auch Schwachstellen, weiß Stefan Höller, Head of Productmanagement & Development Processing Units bei Krones. Zwar werde das Produkt im UHT-Prozess nur für wenige Sekunden auf die letztliche Maximaltemperatur erhitzt, aber: „Die einzelnen Vorwärmschritte sowie das Heißhalten für 120 Sekunden bei 90 Grad Celsius zur Protein-Denaturierung und das anschließende Abkühlen auf Abfülltemperatur dauern in Summe mehrere Minuten“, erklärt er. Ab rund 60 Grad Celsius setzen jedoch chemische Prozesse ein, die den Geschmack nachteilig beeinflussen. Höller: „Oberstes Ziel ist es also, diese Zeitspanne so kurz wie möglich zu gestalten.“ Deshalb lautet die Alternative für anspruchsvolle Produkte wie pflanzenbasierte Drinks oder Milchgetränke: Direkterhitzung. Hier erfolgen Erhitzen und Abkühlen innerhalb nur weniger Sekunden.

Dafür hat Krones ein eigenes Modul entwickelt: Bei der VarioAsept D dauert die Heißhaltephase ebenfalls nur wenige Sekunden, allerdings kann hier auf das zeitintensive Vorwärmen im kritischen Temperaturbereich weitgehend verzichtet werden. Das Prozesstechnik-Team von Krones hatte das Direkterhitzungsmodul bereits auf der Anuga FoodTec 2022 als Showcase mit im Gepäck. Mittlerweile ist ein fester Bestandteil im Portfolio des Neutraublinger Anlagenbauers. Nicht nur für Milch und Plant-based Drinks, auch für Produkte wie Sahne oder Eiscreme-Mix, die wegen einer höheren Viskosität oder einem großen Trockenmassegehalt schwieriger zu erhitzen sind, eignet sich das Verfahren.

VarioAsept D arbeitet je nach Kundenwunsch entweder im Injektions- oder Infusionsverfahren. Bei beiden wird Dampf als Erhitzungsmedium eingesetzt, nachdem das Produkt zunächst auf circa 80 Grad Celsius vorerhitzt worden ist. Im Injektionsverfahren wird der Dampf über eine verstellbare Düse direkt in das Produkt injiziert, welches so schlagartig auf 145 Grad Celsius erhitzt wird. Die Temperatur wird etwa fünf Sekunden gehalten. Das Verfahren eignet sich insbesondere für niedrigviskose Produkte wie Milch und Milchmischgetränke. Es punktet mit niedrigeren Investitionskosten und einem geringeren Footprint für das entsprechende Modul. Dem gegenüber ermöglicht die Infusion, das Produkt quasi im freien Fall zu erhitzen. Dabei fällt es kontrolliert durch eine mit Dampf gefüllte Infusionskammer und erhitzt sich währenddessen auf die erforderliche Zieltemperatur von 145 Grad Celsius. Der Clou: Das Produkt berührt die heißen Edelstahlflächen nicht, wodurch es kaum zu Geschmacksbeeinträchtigungen kommt. Gleichzeitig wird das Produkt auch entgast. Die Infusion gilt deshalb als Königsdisziplin für anspruchsvolle Produkte mit hohen Qualitätsanforderungen und ist bestens geeignet für schwierig zu erhitzende Plant-based Drinks.

„Indem wir die VarioAsept D als eigenes Modul anbieten können, bekommen unsere Kunden eine durchgehende Lösung aus einer Hand“, betont Höller. Zudem spiegle sich der Erfindergeist von Krones in der Lösung wider, denn „unsere Ingenieure haben viele Details verbessert und neu gedacht, um eine energieeffiziente Produktion von hochqualitativen Produkten zu ermöglichen.“ Es ist vor allem die Energieeffizienz, die bei der Entwicklung VarioAsept D im Vordergrund stand. Denn um in Sekundenschnelle die Produkttemperatur von 80 Grad Celsius auf 145 Grad Celsius zu heben, benötigt das Verfahren verhältnismäßig viel Energie.

Natürlich ist das Thema Energierückgewinnung bei der Direkterhitzung kein grundlegend neues in der Getränkebranche: Doch scheitern viele Ansätze bisher an dem geringen Temperaturniveau der vorhandenen Abwärme. Für das Energiesparkonzept revolutionierte das Team von Krones deshalb das Herzstück der VarioAsept D – das heißt, den Vorgang der Direkterhitzung selbst. Angelehnt an das in der Brautechnologie bewährte "High Gravity Brewing" setzte man auf das sogenannte "High Gravity Heating". Hierbei wird das Produkt, also der Haferdrink oder das Milchmischgetränk, in aufkonzentrierter Form in die Direkterhitzungsanlage eingespeist. Das bedeutet, dass der Wassergehalt des Ausgangsprodukts geringer ist als im Endprodukt. Der Clou dieses Aufkonzentrierens zeigt sich beim späteren Kühlen. Um das gewünschte Endprodukt zu erhalten, wird im konventionellen Prozess der während der Direkterhitzung eingetragene Dampf wieder zu gleichen Teilen aus dem Produkt entfernt. Anders beim High Gravity Heating. Hier muss nachträglich Wasser in das zuvor konzentrierte Produkt hinzugegeben werden. Krones löst dies, indem beim Kühlen einfach ein definierter Teil des Dampfs im Produkt verbleibt. So lässt sich der Energiebedarf beim Direkterhitzen selbst reduzieren, aber auch in den vorgelagerten Prozessen, beispielsweise dem Einmaischen.

Lebensmittelproduzenten profitieren von dem Konzept gleich an mehreren Stellen im Prozess. So lässt sich das Endprodukt selbst als Wärmequelle nutzen, wodurch auf die separate Dampfzugabe im Wärmetauscher verzichtet werden kann. Durch die höhere Temperatur, mit der das Produkt aus dem Flash-Kühler kommt, kann der Haferdrink oder das Milchmischgetränk selbst als Energiequelle genutzt werden – indem man es im Gegenstromprinzip des Wärmetauschers zum Vorwärmen des noch nicht erhitzten Produkts nutzt. So kann auf zusätzlichen Dampf für diesen Produktionsschritt verzichtet werden. Beim Kühlen muss nicht mehr die Produkt-Ausgangstemperatur von 80 Grad Celsius erreicht werden. Stattdessen genügt ein Absenken auf lediglich 95 Grad Celsius – wodurch der Kühlaufwand im Kondensator gesenkt wird. Die Temperatur des Kühlwassers aus dem Flash-Kühler kann so um bis zu 15 Grad Celsius angehoben werden. Dank diesem deutlich höheren Temperaturniveau lassen sich die vorgelagerten Prozesse teilweise mit der freigewordenen Energie versorgen. Dafür muss die Abwärme lediglich in einem Pufferspeicher zwischengelagert werden.

„Es ist uns gelungen, die bewährten Prozesse zu optimieren, um so die vorhandenen Energieströme klug zu recyceln“, erklärt Dr. Thomas Oehmichen aus dem Produktentwicklungsteam für Units und Components bei Krones. „Dabei blicken wir über den Tellerrand, also die Direkterhitzungsanlage VarioAsept D, hinaus, da wir das heißere Kühlwasser beispielsweise zum Einmaischen nutzen.“ Dieser ganzheitliche Ansatz ermögliche es, den gesamten Prozess der Hafer- oder Milchmischgetränk-Herstellung energetisch zu optimieren. High Gravity Heating ist ein Beispiel dafür, wie sich seit Jahren etablierte Konzepte aus der Brauindustrie im Liquid-Food-Bereich nutzen lassen. Und auch Getränke- und Liquid-Food-Unternehmen profitieren von dieser Innovationskraft. Denn dank des Energiesparkonzepts gelingt es ihnen, den Energiebedarf für die Produktherstellung zu verringern – und so einen Beitrag zu einer nachhaltigeren Produktion zu leisten.